九铁于2002年6月25日获得沙中线专营权的同时，政府亦开始研究将地下铁路有限公司及九广铁路公司合并为一间铁路公司的可行性。政府将这项研究订为首要工作，并考虑运输策略目标，对香港长远铁路发展利益，以及相关立法与经济影响等。
政府于2004年2月24日邀请地铁及九铁就拟议合并一事开始进行商讨，并须在8月31日前完成商议。政府会研究G考虑商讨结果，然后才决定是否合并两铁。两铁商讨的范畴包括：
1.采用一个更客观及透明度更高的票价调整机制；
2.取消转乘车费，并以减低票价为目标，检讨收费结构；
3.尽早解决目前正在规划中的铁路项目（特别是沙中线）之转车安排；
4.精简公司管理架构，完善整个铁路系统管理，及提升公司整体企业管理，并确保合并时不会裁减两铁前线员工；
5.长远而言提供整合而方便的转车安排。
由于政府要求地铁及九铁在商讨两铁合并时，须包括区域快线香港段如何配合香港整体铁路网络，以及对两铁合并后将来业务的影响；地铁及九铁要求将完成合并商讨期限，由原订8月31日延至9月16日，政府亦同意延长期限。两铁最终于9月16日顺利完成商讨，向政府提交「两铁合并联合报告」。
时任行政长官曾荫权于2006年4月11日宣布，行政会议已经通过两铁合并方案，政府已据此基础与地铁公司签订了一份不具约束力的谅解备忘录。《两铁合并条例草案》继而在2007年6月获立法会通过，明确赋权九广铁路公司将「服务经营权」授予地下铁路有限公司，并扩大了地铁公司的专营权，以接管九铁公司交通服务的营运，专营期重新订为由两铁合并日起计50年。
政府、地铁及九铁于8月订立正式交易文件，九铁公司即时获取42亿5千万元；在服务经营权50年期限内，合并后的公司需要每年支付九铁公司定额7亿5千万元固定费用，以及根据经营九铁服务带来的各种收入的每年非固定费用；另外，地铁亦会支付77亿9千万元作为收购地产及其他有关商业利益。地铁公司随后启动《上市条例》所规定必须进行的工作，并依据既定程序于10月9日召开特别股东大会，与会股东以大比数82.29%通过两铁合并建议，支持合并地铁与九广铁路业务。
政府随即于10月18日宣布地铁及九广铁路营运网络于12月2日正式合并，地铁公司将其中文名称更改为「香港铁路有限公司」，但保留英文名称，并接管合并后的九铁及地铁铁路网络的营运，标志著本港铁路运输服务迈进新纪元。
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